JPS6218955A - 単相同期モ−タ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電磁的に励起される２個の固定子極間に２極の
永久磁石回転子を具えている単相同期モータに関するも
のである。

永久磁石回転子を具えている２極単相同期モータは西独
雑記ｒＥＴＺＪ　（ｖｏｌ、３０，１９７８年１Ｖｋ１
２．第５３〜６０頁）から既知である。回転子は直径方
向に磁化した異方性の永久磁石で構成され、この磁石は
１個の部品として焼成され、かつこの磁石には回転子軸
を通す孔をあけている。このように、軸線方向に孔をあ
ける円筒状の高品質な永久磁石は、回転子の長さ、又は
回転子の長さと回転子の直径との比を特定値以上とする
場合には製造が困難である。これがため、一般に短時間
運転させるべく設計されているこれらモータの定格電力
は２５Ｗ以下である。

軟磁性鉄心に軟磁性永久磁石を設けた直流モータは、西
独のエクスベルト　フェルラーク社により１９８３年に
発行された“コンタクト　ラント　スタディアム”　（
Ｋｏｎｔａｋｔ　ａｎｄ　Ｓｔｕｄｉｕｍ）シリーズの
第１２３巻第３６及び３７頁にカール　ルソシュメイヤ
−（Ｋａｒｌ　Ｒｕｓｃｈｍｅｙｅｒ）により発表され
た論文「永久磁石付モータ及び発電機」から既知である
。この場合には鉄心の周囲面に沿って複数個の永久磁石
を互いに一定距離離して並置している。これらの永久磁
石は極性が交互に代わる極を形成する。

軟磁性鉄心は半径方向に対称的となっている。永久磁石
は希土類の磁石で形成され、これらの磁石は高価である
。これがため、希土類の磁石材料製のむくの回転子を用
いるのに較べて小さな磁石ブロックを用いるのが有利で
ある。

前記ＥＴＺに記載されているような永久磁石回転子を有
する単相同期モータには、１００Ｈｚの周波数で瞬時角
速度が相当大きく変動し、この変動（揺らぎ）の振幅値
が同期角速度の±３０％以上にもなり得ると云う欠点も
ある。これらの変動は純粋な単相運転中には避は難い交
番トルクと、磁気戻り止（ディテント）トルクとによる
ものである。同期運転を改善するために、別の磁路で回
転する追加の磁石によって交番トルクを補償することは
西独公開公報第１４８８２６７号から既知である。しか
し、この方法は複雑で、しかもモータの客積が大きくな
る。

磁石材料として例えば希土類材料を用いる場合のように
、残留誘導磁界が高い高品質の磁石材料を用いる場合に
は、モータの始動が過渡振動によって悪影響を受ける（
西独特許第３４０３０４１号）。

さらに、モータを正しく始動させる始動電圧が高くなる
。前記西独特許第３４０３０４１号によれば、回転子と
負荷を含み、低振幅値で自由に振動する系の固有周波数
が主電源の周波数とは相違するように慣性モーメント及
び空隙（これも戻り止トルクを決定する）の大きさを規
定すれば過渡振動を回避することができる。

本発明の目的は、モータの同期運転を経済的な方法にて
改善し、高い始動電圧の必要をまねく過渡振動をなくし
て正しい同期運転を維持し得るように適切に構成配置し
た冒頭にて述べた種類の単相同期モータを提供すること
にある。

本発明は２つの電磁励起固定子極間に２極の永久磁石回
転子を具えている単相同期モータにおいて、前記回転子
が、該回転子の軸線に対して直径的に対称で、しかも該
回転子軸線に対して直交する２方向に長い寸法及び短い
寸法を有する軟磁性材料製のブロック状中央部と、該中
央部の長寸法の両側面に配置される磁極を有している永
久磁石とを具え、該永久磁石の磁化方向を前記中央部の
長寸法の側面に対して垂直の方向とし、かつ前記永久磁
石の透磁率を前記中央部の透磁率よりも低くしたことを
特徴とする。

このような構成とする単相同期モータによれば、同期運
転を改善するための手段によってモータの軸方向の寸法
が大きくならないと云う利点がある。

さらにモータは従来のものに較べてより一層経済的に製
造することができる。さらにまた、定格電力が２５Ｗ以
上のモータも経済的に構成することができる。

２個の永久磁石素子の間に薄いシートを介在させて低電
力同期モータの回転子を構成することば西独出願公告第
１２６１２３５号から既知である。しかし、斯かる薄い
シートは永久磁石素子から成る同様な磁極を互いに対向
して位置させる個所に追加の磁極を形成するのに仕える
だけである。しかし、この構成は本発明の目的及び本発
明によって与えられる解決策には何等関係するものでは
ない。

本発明の好適例によれば、前記永久磁石と前記固定子と
の間の空隙を前記軟磁性の中央部と前記固定子との間の
空隙よりも大きくする。

軟磁性部分の構造は、鉄製の回転子種と固定子極との間
の空隙が、できるだけ小さくなるような構成とするので
、固定子コイルのりラフタンス、又はその逆数のパーミ
アンスが回転子の回転中に明らかに変動する。その理由
は、軟磁性の中央部の長手方向軸線が固定子磁界の方向
に向くにつれてパーミアンスが大きくなるからである。

中央部が固定子磁界から外れて回転するとパーミアンス
は再び低下する。このパーミアンスの変動が角速度の変
動を低減させ、従って同期運転を改善する。

パーミアンスの変動は、軟磁性中央部と固定子極との間
の空隙がその最も幅狭な点で最小となる際に増大する。

本発明の他の好適例によれば、軟磁性の中央部を直平行
六面体とする。このような構成とすれば、永久磁石は、
インダクタンスが最小となる際に磁束が最大となるよう
に回転子位置に応じて周期的に交番磁束を固定子コイル
に発生する。このようにして交番トルクは互いに差引か
れ、同期運転が改善され、モータは非常に静かに、しか
も振動も少なく作動する。

本発明のさらに他の例によれば、永久磁石の回転子種と
固定子極との間の空隙の大きさを、その空隙の最も幅狭
な個所において、回転子及び負荷を含み、かつ低振幅で
自由に振動する系の固有周波数ω■； が主電源の角周波数ω■とは相違し、ω０が０．９〜０
．８ω、以下となるようにする。なお■ＫＬは磁気戻り
止トルクの振幅であり、Ｊは振動系の慣性の質量モーメ
ントである。鉄製の磁極と固定子極との間の空隙の大き
さは、パーミアンスの最大変動を得るために規定される
モータの製造公差によって許容されるできるだけ小さな
値とすべきであり、これにより同期運動が改善される。

さらに本発明の他の例によれば、インダクタンスの最小
値が磁束の最大値に対して９０°以下の角度変位される
ようにする。

本発明のさらに他の例では、回転子の回転中におけるコ
イルのインダクタンスの変動ができるだけ大きくなるよ
うにする。このようにすればモータの同期運転が改善さ
れる。

以下図面につき本発明を説明する。

第１図は固定子鉄心３及び回転子５を具えている単相同
期モータを示す。固定子鉄心３はＵ字状をしており、こ
の鉄心のリム７に励磁コイル９を配置する。リム７の遊
端１１間に固定子極１３を形成する。これら固定子極の
磁極弧（ポールアーク）は磁極低部分１５と磁極低部分
１７とで構成し、磁極低部分１５の半径は磁極低部分１
７の半径よりも太きくする。固定子極１３の間に回転す
るように取付ける回転子５は成層構造のものとする。回
転子軸乏１を通す回転子５の中央部１９はブロック状の
ものとし、これは鉄の如き軟磁性材料製のものとする。

この中央部１９の両側には軟磁性材料製の永久磁石２３
を接着剤によって取付ける。軟磁性材料は、例えばバリ
ウム　フェライト、又は希土類材料の如き異方性の磁石
材料とすることができる。中央部１９と永久磁石２３と
の界面２５は回転子５の軸線の両側に平行に延在させる
。軟磁性の中央部１９は基本的には矩形状のものである
。

回転子５が回転すると、永久磁石２３は固定子コイルに
交番磁束を周期的に発生し、この磁束は回転子の位置に
依存する。固定子コイルのインダクタンス、即ちコイル
電流により発生する磁束と、コイル電流そのものとの比
も周期的に回転子位置θに依存し、斯かるインダクタン
スはつぎのように表わされる。

ｉ　（ｔ） これらの交番磁束が、例えばコイル９のインダクタンス
が最小となる場合に磁束が最大となるようなものである
場合、永久磁石によって発生される交番トルクと、イン
ダクタンスの変動によって発生される交番トルクは無負
荷状態下では互いに滅じ合う。しかし、運転状態の期間
中はインダクタンスの最小値を最大磁束に対して９０°
以下の角度にわたってシフトさせるようにすればより好
適である。

一般には、回転子の回転中におけるコイルのインダクタ
ンス変動をできるだけ大きくするのが有利である。交番
トルク成分が互いに減じ合うのは、磁気トルク１（ｔ）
φｍ５ｉｎθとリラクタンストルクとがほぼ同相でシフ
トされるからである。

第２〜４図は回転子の種々の形状を示したものであり、
これらの回転子でも所望な目的が達成される。第２図に
示した回転子２０５も軟磁性の中央部２１９と、この中
央部の両側に配置した永久磁石２２３とで構成する。軟
磁性の中央部２１９と硬磁性の永久磁石２２３との間の
界面２２５は回転子軸２１の両側にて平行とする。永久
磁石２２３は界面２２５に対し垂直方向に磁化する。回
転子を界面２２５に対し垂直の方向には平坦として、界
面２２５に対して垂直に延在する平坦な回転子面２２７
を形成する。

回転子周囲の他の平坦面２２９は前記平坦面２２７に対
し垂直に、しかも界面２２５に対し平行に延在させる。

第３図に示した例は基本的には第２図に示したものに対
応する。軟磁性の中央部３１９は、この中央部の両側に
界面３２５に沿って設ける永久磁石３２３を離間させる
。この場合の回転子は、界面３２５に対して垂直の方向
にその回転子周囲部分を平坦として、平行な回転子面３
２７を形成する。

第４図は回転子の周囲面を前例とは異なる形状とした回
転子を示す。この場合にも永久磁石４２３を軟磁性の中
央部４１９の両側に配置し、これらを界面４２５によっ
て分離させる。回転子の界面４２５に対し垂直の方向の
周囲は平坦として平坦な回転子周囲面４２７を形成する
。永久磁石４２３は屋根状の周囲面４２９を有しており
、この周囲面４２９の縁部４３１は回転子の中央平面（
三等分面）４３３内に位置させる。

上述したような構造とする回転子はいずれも界面に対し
垂直の方向に常に同じように磁化するものとする。この
磁化方向を矢印３５に示しである。

第１〜４図に示した回転子の平坦面は研削処理によって
形成するのが好適である。

第５図に示した単相同期モータは固定子鉄心５０３及び
回転子５０５を具えている。固定子鉄心５０３はＵ字を
している。固定子鉄心のリム５０７には励磁コイル５０
９を配置する。リム５０７の遊端５１１間に固定子極５
１３を形成する。これら固定子５１３の各磁橿弧は磁極
低部分５１５と５１７とで構成する。この場合、磁極低
部分５１５の半径は磁極低部分５１７の半径よりも大き
くする。固定子極５１３間に回転するように取付ける回
転子５０５は成層構造とする。回転子軸２１を通す回転
子の中央部５１９は、例えば鉄のような軟磁性材料製の
ものとする。

この中央部５１９の両側には硬磁性材料製で、放射状に
外方に延在する永久磁石５２３を接着剤によって取付け
る。硬磁性材料は、例えばサマリウム−コバルト又はネ
オジミウム−鉄−ホウ素の如き希土類材料とすることが
できる。軟磁性の中央部５１９と永久磁石５２３との間
の界面５２５は回転子５０５及び回転子軸５２１の軸線
の両側に互いに平行に延在させる。従って、軟磁性の中
央部５１９は矩形形状となり、この中央部の外部磁極面
５２７は部分的に円筒状となる。

軟磁性の中央部５１９の磁極面５２７は、回転子軸５２
１からのこれら磁極面の半径ｒ、と磁極低部分５１７の
半径ｒ２との差が最小となるように磁極低部分５１７か
ら離間させる。ｒ、とｒ２との差は製造公差を考慮して
できるだけ小さくする必要がある。このようにすること
の効果は、磁極面５２７と磁極低部分５１７との間の距
離が短（なるにつれて増大する。

永久磁石５２３の磁極面５３１の半径ｒ、は軟磁性の中
央部５１９の磁極面５２７の半径ｒｌよりも小さくする
。従って、磁極低部分５１７と磁極面５２７との間の空
隙は、磁極低部分５１７と磁極面５３１との間の空隙よ
りも小さくする。磁極低部分５１７と磁極面５３１との
間の空隙を第５図に開にて示しである。

この空隙聞の大きさは、モータの寸法及びその負荷を見
込んでモータが始動し得る電圧以下で過渡振動が起る値
にまでモータの戻り止（ディテント）トルクが低下する
ような大きさとすべきであり、即ち過渡振動は上記電圧
よりも高い電圧では起らない。これは例えば、回転子及
び負荷を含み、しかも低振幅で自由に振動する系の固有
周波数、即ち が主電源の角周波数ω■に等しくならない場合である。

好ましくはω■を０．９〜０．８ω■よりも小さくすべ
きである。

回転子の回転中には、磁極低部分５１７と磁極面５３１
との間、及び磁極低部分５１７と磁極面５２７との間の
空隙聞の寸法が相違するために、固定子コイルに対する
リラクタンスが変動、即ちパーミアンスが著しく変動し
たり−またこれと同時に戻り止トルクの振幅値■ＫＬが
制限される。

永久磁石５２３は矢印５３５で示す方向に磁化する。

非対称角度Ｔを大きくするために、永久磁石５２３の磁
力線を磁極面５３１の中央個所に集中させることもでき
、ここにＴは固定子コイ−ルを附勢しない場合における
回転子の位置５３７と固定子磁界の方向５３８との間の
角度である。

第５図では固定子磁界の中央位置を線５３８にて示しで
ある。固定子コイル５０９に対する最高パーミアンスは
、軟磁性の中央部分の磁極面５２７が回転して、これら
の面が固定子磁界の方向５３８と整列する場合に得られ
る。

つぎの例は、軟磁性の中央部と固定子極との間の空隙の
大きさを小さくすることによってリラクタンスの最大変
動を得ると共に、硬磁性の回転子部と固定子極との間の
空隙を適当に大きくすることによって過渡振動をなくす
よう、にした例であり、この例では前記の各側とは基本
的に異なる構造で、しかも異なる加工方法を用いて硬磁
性の回転子部を製造する簡単な構造を得るようにしたも
のである。さらに、非対称角度γを大きくしようとする
ものである。また、種々の負荷に対する同期運転を改善
するために、最大磁束に対応する回転子の位置と、最大
リラクタンスに対応する回転子の位置との間の位相偏移
を９０°に等しくならないようにすることも考慮する。

第６図では永久磁石部を中央部５１９の磁極面５２７に
対してこの中央部の中心線５４１の方向に引っ込めて、
磁石部の後退面５４３ａを形成する。なお、このことは
第７．８．９．１１．１２及び１３図についても云える
ことである。このようにして第６図の永久磁石５２３ａ
の磁極面５３１ａの長さを短くする。

第７．８，９，１１．１２及び１３図に示す例には第６
図の永久磁石の後退接触面５４３ａに対応する永久磁石
の後退接触面５４３ｂ、　５４３ｃ、、５４３ｄ、　５
４３ｅ、　５４３ｆ及び５４３ｇがある。

第６〜９図に示す回転子は、磁極面５３１の構成以外は
すべて同じである。第６図に示すように回転子の磁極面
５３１ａは彎曲させるが、第７図に示す回転子の磁極面
５３１ｂは位置５３２の個所に頂点を有する屋根状にし
て、非対称角度Ｔを大きくしている。第８図の例では永
久磁石５２３ｃの磁極面５３１ｃを平坦として、各磁石
５２３ｃが固定子極の方に突出している隅部５３７ｃを
具えるようにする。第９図では磁極面５３１ｄを第８図
めように平坦とするも、この場合には磁極面５３１ｄを
固定子鉄心の磁極低部分５１５及び５１７に良好に適合
させるために磁極面５３１ｄにベベル部分５３７ｄを形
成する。

第１１図に示した回転子の構成は基本的には第９図に示
したものと同じであるが、この場合には永久磁石５２３
ｅを軟磁性の中央部５１９ｅの内部にまで延在させる。

中央部５１９ｅの長手方向軸線に対し対称的に配置され
る磁極面部分５２７ｅ’によって鉄製の磁極面５２７ｅ
を回転方向に拡張させる。軟磁性の中央部５１９ｅの拡
張磁極部５２７ｅには後退面５４３ｅを部分的に覆う部
分５３９ｅを形成する。

第１２図及び１３図の例でも同様なことをするが、これ
らの例では鉄製の磁極面５２７ｆ、　５２７ｇを磁極面
５２７ｆ′、　５２７ｇ′によって回転方向に広げ、か
つこれらの拡張磁極面５２７ｆ”　、　５２７ｇ′を軟
磁性の中央部５１９ｆ、　５１９ｇのノーズ部分５３９
ｆ、　５３９ｇに形成し、またこれらのノーズ部分によ
って後退面５４３ｆ及び５４３ｇを部分的に覆うように
する。しかし、ノーズ部分５３９ｆ、　５３９ｇに対称
的とはせずに、これらの部分は中央部５１９ｆ、　５１
９ｇの長手方向軸線の各片側に１つずつ位置させる。こ
れによりリラクタンス変動と磁束変動との間に位相偏移
を来たし、モータの特定の運動状態に対して、そのモー
タの同期運転を最適に改善する。

第１２図と第１３図との相違は磁石セグメント５２３ｆ
と５２３ｇの構成が異なる点にある。第１２図では磁石
セグメント５２３ｆを一体構成とするが、第１３図の磁
石セグメント５２３ｇは平坦なブロックと、これに取付
けた磁極片５４５ｇとで構成する。

第１０図及び１４図に示した例では、磁石セグメン）５
２３ｉ及び５２３ｋを、磁極面５３１１及び５３１ｋを
含む幾つかのブロックに分割する。第１０図の個々の永
久磁石ブロック５２３　ｉ　′　の高さは、磁極低部分
５１５及び５１７の形状にならって、磁極面５３１１が
階段状となるように選定する。個々の永久磁石ブロック
５２３　ｉ　′　は界面５２５に沿って互いに隣接させ
る。第１４図に示す例では、永久磁石セグメンＩ−５２
３にの個々の永久磁石ブロック５２３に′をそれぞれ界
面５２５に平行に重ね、これらブロックの長さが軟磁性
の中央部に対して平行な方向に段歩的に短くなり、磁極
面５３１ｋが磁極低部分５１５及び５１７の曲率になら
って段付構成となるようにする。

第７，１０及び１４図に示した例では非対称角度Ｔを大
きくして摩擦に対するモータの始動を改善する。

【図面の簡単な説明】

第１図は軟磁性材料と硬磁性材料とを成層して形成した
回転子を具えている本発明単相同期モータの一例を一部
断面して示す側面図、 第２〜４図は第１図の同期モータの成層回転子の周囲面
をそれぞれ相違させた回転子部を示す断面図、 第５図は軟磁性材料と硬磁性材料とを成層して形成した
回転子を具え、これら軟磁性材料の周囲面及び硬磁性材
料の周囲面と固定子極とによって異なる空隙幅を形成す
るようにした本発明単相同期モータを一部断面にて示す
側面図、 第６〜９図は第５図の例におけるモータの回転子の種々
の変形例を示す断面図、 第１０図は磁石材料を別個のブロック状のものとし、こ
れらの軟磁性の中央部に立たせて構成した成層回転子の
例を示す断面図、 第１１図は第９図の例に類似するも、この場合には磁石
材料を部分的に軟磁性の中央部の内部にまで延在させた
回転子の例を示す断面図、第１２及び１３図は本発明モ
ータにおける回転子のさらに他の変形例を示す断面図、 第１４図は基本的には第５〜９図の回転子と同様に設計
されるも、この場合には磁石材料を別個のブロック状の
ものとし、これらを軟磁性の中央部に積み重ねて構成し
た成層回転子の例を示す断面図である。 ３．５０３・・・固定子鉄心　　　５，２０５，５０５
・・・回転子７．５０７・・・リム　　　　　　９．５
０９・・・励磁コイル１１．５１１・・・リムの遊端　
　　１３．５１３・・・固定子端１５．１７，５１５，
５１７・・・磁極低部分１９．２１９，３１９，４１９
，５１９・・・軟磁性の中央部２１・・・回転子軸 ２３．２２３，３２３，４２３，５２３・・・永久磁石
２５．２２５，３２５，４２５・・・界面２２７．３２
７．４２７．５２７・・・回転子周囲面３５．５３５・
・・磁化方向 ＦＩＧ、１ Ｆｌ（１，２ＦＩＯ，３ ＦＩＧ、４ ＦｌＯ，８Ｆ１０９

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、２つの電磁励起固定子極間に２極の永久磁石回転子
   を具えている単相同期モータにおいて、前記回転子が、
   該回転子の軸線に対して直径的に対称で、しかも該回転
   子軸線に対して直交する２方向に長い寸法及び短い寸法
   を有する軟磁性材料製のブロック状中央部と、該中央部
   の長寸法の両側面に配置される磁極を有している永久磁
   石とを具え、該永久磁石の磁化方向を前記中央部の長寸
   法の側面に対して垂直の方向とし、かつ前記永久磁石の
   透磁率を前記中央部の透磁率よりも低くしたことを特徴
   とする単相同期モータ。 ２、前記永久磁石と前記固定子との間の空隙を前記軟磁
   性の中央部と前記固定子との間の空隙よりも大きくした
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の単相同
   期モータ。 ３、前記軟磁性の中央部を直平行六面体としたことを特
   徴とする特許請求の範囲第１又は２項のいずれか一項に
   記載の単相同期モータ。 ４、前記永久磁石の磁化方向に対して平行な方向の回転
   子周囲面を平坦としたことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項に記載の単相同期モータ。 ５、前記永久磁石をこれら磁石の磁化方向に対し平行な
   方向に平坦としたことを特徴とする特許請求の範囲第１
   、２及び３項のいずれか一項に記載の単相同期モータ。 ６、前記回転子の前記永久磁石極の個所の周囲面を屋根
   状としたことを特徴とする特許請求の範囲第１〜５項の
   いずれか一項に記載の単相同期モータ。 ７、回転子及び負荷を含み、かつ低振幅で自由に振動す
   る系の固有周波数ω＿０、 ω＿０＝√［（２■＿Ｋ＿Ｌ）／Ｊ］ が主電源の角周波数ω＿０とは相違し、軟磁性の中央部
   と固定子極との間の空隙を最小とすることにより回転子
   の回転中のパーミアンスの変動が最大となるようにし、
   ここに■＿Ｋ＿Ｌを磁気戻り止トルクの振幅値とし、か
   つＪを振動系の慣性の質量モーメントとしたことを特徴
   とする特許請求の範囲第１〜６項のいずれか一項に記載
   の単相同期モータ。 ８、前記固有周波数ω＿０を０．９〜０．８ω＿■より
   も小さくし、かつ前記軟磁性の中央部と前記固定子極と
   の間の空隙を最小の大きさとすることによりパーミアン
   スの変動を最大とするようにしたことを特徴とする特許
   請求の範囲第７項に記載の単相同期モータ。 ９、インダクタンスの最小値が、モータの運転状態下に
   て磁束の最大値に対して９０°以下の角度変位されるよ
   うにしたことを特徴とする特許請求の範囲第１〜８項の
   いずれか一項に記載の単相同期モータ。 １０、前記永久磁石をバリウム−フェライト又は希土類
   材料製のものとしたことを特徴とする特許請求の範囲第
   １〜９項のいずれか一項に記載の単相同期モータ。